Cosmologii se pregătesc să își îndrepte privirea asupra Universului timpuriu. De la o altitudine de 5.300 de metri pe Cerro Toco, în Deșertul Atacama din nordul Chile, Observatorul Simons va cartografia radiația de fundal cosmică (CMB) – uneori numită lumina difuză a Big Bang-ului – cu o sensibilitate de până la zece ori mai mare decât cea a precedentului standard de aur, sonda spațială Planck a Europei.
„Va fi cea mai bună privire asupra CMB pe care am avut-o vreodată”, spune Jo Dunkley, una dintre cercetătoarele principale ale echipei observatorului. Construcția observatorului în valoare de 109,5 milioane de dolari americani urmează să fie finalizată în câteva săptămâni.
Unul dintre obiectivele proiectului este să găsească amprentele lăsate în CMB de unde gravitaționale care au avut originea în Big Bang. Acestea ar furniza primele dovezi incontestabile pentru inflația cosmică, un moment scurt în care se crede că expansiunea a avut loc la o rată exponențială. Se consideră că în timpul acelei perioade, fluctuațiile cuantice la scară microscopică au semănat Universul cu ceea ce a devenit structura sa la scară largă – inclusiv distribuția actuală a grupurilor de galaxii în spațiu.
Colaborarea științifică este condusă de cinci universități din SUA și de Laboratorul Național Lawrence Berkeley din Berkeley, California. Proiectul îi poartă numele lui Jim Simons, un matematician, investitor miliardar în fonduri speculative și filantrop. Fundația Simons (înființată de Jim și soția sa, Marilyn) din New York City a contribuit cu aproximativ 90 de milioane de dolari la construirea observatorului.
Observatorul Simons este un ansamblu de patru telescoape. Trei dintre ele sunt telescoape cu deschidere mică identice de 0,4 metri (SAT-uri) și unul este Telescopul cu Deschidere Mare (LAT) de 6 metri. Cele trei SAT-uri se vor concentra pe o porțiune care acoperă 20% din cerul sudic. Scopul este ca acestea să studieze vârtejurile la scară largă – întinzându-se pe o suprafață de câteva ori cât mărimea aparentă a Lunii pe cer – în câmpul de polarizare al CMB-ului. Aici este locul unde se așteaptă să se observe semnalele inflației cosmice, cunoscute sub numele de modele B-mode.
Mulți cosmologi consideră inflația ca fiind mecanismul cel mai plauzibil pentru procesul care a dat Universului structura sa, cauzată de un câmp de energie numit inflaton. Natura și proprietățile inflatonului sunt misterioase. Au fost propuse multe teorii care prezic existența undelor gravitaționale cu o gamă largă de intensități.
Prin urmare, nu este garantat că semnalul, dacă există, este suficient de puternic pentru ca Observatorul Simons să-l vadă, spune Suzanne Staggs, co-directoarea observatorului, adăugând: „Dar oh, Doamne – dacă ar fi acolo, ar fi uimitor”.
Fizica cunoscută a câmpurilor cuantice sugerează că undele acestea ar trebui să se afle în domeniul de sensibilitate al Observatorului Simons sau aproape de el, spune Marc Kamionkowski, unul dintre primii cercetători care au prezis existența modelelor B-mode în 1997.
În timp ce SAT-urile se concentrează pe o zonă relativ mică, LAT-ul va cartografia 40% din cer, la o rezoluție mult mai fină, și va înregistra fluctuațiile de temperatură în CMB, precum și polarizarea CMB-ului. Cosmologii care lucrează la Planck și la alte proiecte CMB din trecut au reușit să extragă o multitudine de informații trasând intensitatea acestor fluctuații de temperatură în funcție de zona de cer pe care o acoperă. Astfel de grafice au permis cosmologilor să producă estimări precise atât ale vârstei Universului (13,8 miliarde de ani), cât și ale compoziției sale (doar aproximativ 4% dintre acestea fiind materie obișnuită).
Datele LAT ar putea ajuta cercetătorii să detecteze semnale ale inflației cosmice în hărțile de polarizare cu rezoluție scăzută realizate de telescoapele mai mici. În special, acestea vor fi cruciale pentru separarea acestui model de semnalele false produse de efecte precum praful din Calea Lactee, explică Mark Devlin, co-director al observatorului. Experimentul va fi de șase ori mai sensibil la modelele de polarizare decât orice încercare anterioară de a le măsura.
Cu toate acestea, căutarea semnalelor de inflație este doar unul dintre obiectivele proiectului: echipa Simons își propune să obțină mult mai multe informații din harta cu rezoluție înaltă a CMB-ului observatorului. Aceasta le va permite cercetătorilor nu numai să vizualizeze Universul la o vârstă fragedă, ci și să studieze cum a fost afectată radiația sa primordială în timpul celor 13,8 miliarde de ani petrecuți călătorind în spațiu, înainte de a ajunge la Pământ.
Deoarece LAT-ul va scana aceleași regiuni ale cerului în mod repetat pe parcursul vieții sale, va putea să urmărească mișcarea asteroizilor din Sistemul Solar și să monitorizeze găurile negre active din centrul altor galaxii – și modul în care producția lor se schimbă în timp. „Vom putea să urmărim 20.000 sau mai multe nuclee galactice active, care sunt, credem noi, găuri negre supermasive cu jeturi”, spun cercetătorii.
Observatorul va avea două runde, fiecare durând aproximativ patru ani, cu o modernizare planificată de 53 de milioane de dolari între ele. Un proiect chiar mai ambițios numit CMB-S4, care va fi condus de Departamentul de Energie al SUA și Fundația Națională pentru Știință, este planificat ca urmare, cu observații începând din mijlocul anilor 2030. Cu telescoape atât la Cerro Toco, cât și la Polul Sud, ansamblul de 800 de milioane de dolari va îmbunătăți sensibilitatea la semnalul inflaționar încă de șase ori.
